喬建華，賈堯堯

(太原科技大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，太原 030024)

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基于BQ500212A的鋰電池?zé)o線充電系統(tǒng)*

喬建華，賈堯堯

(太原科技大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，太原 030024)

設(shè)計(jì)了一套針對(duì)鋰電池的諧振式電磁感應(yīng)無線充電系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用近場(chǎng)電磁感應(yīng)方式，運(yùn)用LC串聯(lián)諧振電路、電壓電流檢測(cè)電路、RC延時(shí)電路，實(shí)現(xiàn)了對(duì)鋰電池?zé)o線充電的要求；并建立了系統(tǒng)的模型，分析了系統(tǒng)重要器件的的選取原則和方法。經(jīng)測(cè)試，該系統(tǒng)不僅改善了無線充電能量傳遞效率，還提高了電路對(duì)各種狀態(tài)響應(yīng)的安全性。

無線充電；電磁感應(yīng)；串聯(lián)諧振；BQ500212A；鋰電池

引 言

針對(duì)有線充電設(shè)備物理插拔產(chǎn)生磨損、可能激發(fā)電火花、攜帶不便的問題，無線充電系統(tǒng)成為研究的熱點(diǎn)、參考文獻(xiàn)[1]在其論述中就提出了將來無線充電將會(huì)代替接口充電的可能。無線充電有電磁感應(yīng)、磁共振、電場(chǎng)耦合、無線電波四種方式，其中以電磁感應(yīng)方式最為成熟，且容易應(yīng)用。參考文獻(xiàn)[2]提出的設(shè)計(jì)，就是基于電磁感應(yīng)技術(shù)進(jìn)行電能傳輸?shù)囊环N設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)供電部分使用7805和7812線性電源芯片，能耗很大，半橋式發(fā)射電路設(shè)計(jì)，使得其對(duì)能量利用效率較低，使用MSP430芯片作為控制器，則提高了設(shè)計(jì)成本?，F(xiàn)在的無線充電的研究存在安全性不高，技術(shù)不規(guī)范，能量傳遞效率低的問題，參考文獻(xiàn)[3]所提出的單線圈無線充電系統(tǒng)，對(duì)這些問題做出了改進(jìn)，但其缺少對(duì)鋰電池充電電路的設(shè)計(jì)。本文以TI公司的最新產(chǎn)品BQ500212A和BQ51050B芯片作為核心器件，設(shè)計(jì)了一個(gè)針對(duì)鋰電池的諧振式電磁感應(yīng)無線充電系統(tǒng)，提高了無線充電能量的傳輸效率，同時(shí)解決了當(dāng)前無線充電設(shè)備安全性不高、不規(guī)范的問題，實(shí)現(xiàn)了通過無線充電技術(shù)對(duì)鋰電池進(jìn)行高效可靠充電的功能。

1 總體方案設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)功能

圖1 發(fā)射端-接收端系統(tǒng)框圖

該無線充電系統(tǒng)包括兩個(gè)部分：發(fā)射端(TX)和接收端(RX)，如圖1所示。在系統(tǒng)的主體設(shè)計(jì)中，能量發(fā)射和接收端采用兩個(gè)控制器。發(fā)射端控制器對(duì)輸入電流進(jìn)行逆變調(diào)控，利用交變電流在發(fā)射端口周圍激發(fā)磁場(chǎng)發(fā)射能量。電壓電流傳感部分反饋電壓電流信號(hào)給控制器，控制器做調(diào)節(jié)。接收端接收到磁場(chǎng)能量后轉(zhuǎn)換成電場(chǎng)能量，進(jìn)行整流，然后在控制器的控制下進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)，提供給負(fù)載。發(fā)射端能量傳遞給接收端，接收端信號(hào)發(fā)送給發(fā)射端。

1.2 主控芯片選型

一節(jié)鋰電池滿電時(shí)電壓為4.2 V，若對(duì)其以1 A電流進(jìn)行充電，則瞬時(shí)功率最大不會(huì)超過4.2 W，另外考慮到電路中正常的能量損耗，需輸出功率選擇比4.2 W略大一些的芯片。經(jīng)過計(jì)算，在接收端我們選擇最大輸出功率為5 W的芯片。BQ51050B最大輸出功率為5 W，內(nèi)部集成有鋰電池充電控制功能，所以選擇它作為接收端的主控芯片?？紤]按照BQ51050B的參數(shù)選擇TX端的控制芯片， BQ500212A最大輸出功率5 W滿足要求，輸入電壓5 V較為接近鋰電池的滿電電壓，選擇它作為發(fā)射端主控芯片滿足需求。兩款芯片均兼容WPC協(xié)議，符合設(shè)計(jì)要求。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 低功耗電路設(shè)計(jì)

為節(jié)約能量消耗，系統(tǒng)采用了低功耗和休眠的電路設(shè)

計(jì)。TX端的低功耗模式是通過不斷地關(guān)閉電路及喚醒電路實(shí)現(xiàn)的，BQ500212A有一個(gè)輸出低功耗控制信號(hào)SNOOZE，電路如圖2所示。當(dāng)發(fā)射端電路正常工作時(shí)，SLEEP和SNOOZE為低電平信號(hào)，場(chǎng)效應(yīng)管關(guān)閉，EN端為高電平，U3正常工作并輸出3.3 V電壓給BQ500212A。當(dāng)發(fā)射電路沒有負(fù)載需要進(jìn)入低功耗模式時(shí)，SNOOZE信號(hào)變成高電平，場(chǎng)效應(yīng)管打開，EN端變?yōu)榈碗娖?，U3關(guān)閉，BQ500212A關(guān)閉，發(fā)射端電路停止工作。此時(shí)SNOOZE信號(hào)消失，場(chǎng)效應(yīng)管關(guān)閉，由于電容C5和電阻R6的存在，EN端會(huì)在一段時(shí)間后變成高電平，這個(gè)延時(shí)時(shí)間可以通過改變電容和電阻值的大小來改變。當(dāng)EN端變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，BQ500212A被喚醒，若電路依然沒有負(fù)載，BQ500212A會(huì)在非常短暫的時(shí)間后輸出一個(gè)高電平的SNOOZE信號(hào)，再一次關(guān)閉U3，使發(fā)射電路停止工作。

圖2 供電及低功耗及休眠電路

TX端的休眠模式和低功耗模式類似，當(dāng)電路長(zhǎng)時(shí)間沒負(fù)載或負(fù)載充電完成時(shí)，BQ500212A提供一個(gè)高電平的SLEEP信號(hào)，對(duì)于R5和C4來說，其延時(shí)時(shí)間更長(zhǎng)。

2.2 檢流電路、逆變電路及發(fā)射端口電路設(shè)計(jì)

圖3 檢流電路

檢流電路如圖3所示，差放U6為50倍增益，采集電阻R25兩端電壓。R25為20 mΩ的電阻，用其和50倍增益差放進(jìn)行組合，使得差放的輸出電壓值大小剛好等于流過電阻R25的電流值大小。C30對(duì)差放輸出電壓進(jìn)行穩(wěn)壓，使得將要提供給控制芯片的電壓I_SENSE是一個(gè)穩(wěn)定值。

逆變電路如圖4所示，U4、U5為CSD97394芯片，集成有兩個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管，每個(gè)芯片都有一個(gè)PWM波形輸入端口。在DPWM-1A和DPWM-1B信號(hào)的作用下，電流會(huì)有這樣的兩種流向，一種是從U4的VSW流出經(jīng)過發(fā)射線圈，再通過U5的VSW連接GND，另一種是從U5的VSW流出經(jīng)過發(fā)射線圈，再通過U4的VSW連接GND。這兩種電流流向在PWM波形的一個(gè)周期內(nèi)各占半個(gè)周期，實(shí)現(xiàn)電流的逆變。

2.3 控制電路設(shè)計(jì)

發(fā)射端控制電路如圖5所示，芯片兩個(gè)供電端口均并聯(lián)兩個(gè)電容穩(wěn)壓濾波，V33S與V33D，通過一個(gè)20 Ω的小電阻隔開，用以分隔數(shù)字電源與模擬電源。BPCAP按芯片要求，連接旁路電容。BQ500212A芯片會(huì)上電復(fù)位，在此不使用它的復(fù)位功能，也不使用它的的溫度檢測(cè)功能，將2引腳和5引腳通過一個(gè)10 kΩ電阻接3.3 V電源即可。V_SENSE管腳通過76.8 kΩ和10 kΩ電阻分壓檢測(cè)5.5 V電壓，F(xiàn)MOD、PMOD、FOD_CAL依次連接電阻R34、R35、R36,對(duì)應(yīng)損失功率閾值為350 mW、400 mW、550 mW，LED顯示模式由R43設(shè)置。

圖4 逆變電路及發(fā)射端口電路

圖5 控制電路

2.4 接收端電路設(shè)計(jì)

接收部分是一個(gè)由接收線圈和3個(gè)電容構(gòu)成的諧振電路，如圖6所示，電路中產(chǎn)生的感應(yīng)電壓經(jīng)過C52和C53濾波，提供給芯片的輸入端AC1和AC2。在電路中還可以看到擺放類似的三組電容，一組連接CLMP1和CLMP2，這是電路的過壓保護(hù)部分，當(dāng)電路接收端電壓過大時(shí)，CLMP1和CLMP2在芯片內(nèi)部連接GND，使接收端的感應(yīng)電壓通過電容C45和C51短路，保護(hù)接收端電路不受損。COMM1和COMM2連接的電容則是為了通信，電路需要通信時(shí)，C47和C49同樣會(huì)通過芯片的COMM引腳連接GND，使接收端的負(fù)載變化，從而產(chǎn)生電流變化，這一變化被發(fā)射端感應(yīng)，實(shí)現(xiàn)通信。

圖6 接收端電路

圖7 接收端電路

2.5 限流功能、滿電電流閾值及其他電路部分的設(shè)置

接收端的限流功能和滿電閾值設(shè)置如圖7所示，RECT端和BAT端均為輸出端，不一樣的是RECT端輸出的是整流后的電壓，BAT端輸出的是給電池充電的電壓。限流值大小由R29和R30共同決定，限流值IMAX=300/(R29+30)。TERM端連接的電阻R37用來設(shè)置滿電電流閾值，I=IMAX×R37/20 000。這里不使用電路的溫度檢測(cè)功能，將TS_CTRL通過一個(gè)10 kΩ電阻接地。接收端電路充電時(shí)，CHG會(huì)在內(nèi)部接地，LED3提供一個(gè)充電指示功能。RECT端輸出電壓經(jīng)過5.1 V穩(wěn)壓管作用，輸出一個(gè)5.1 V的電壓，可供芯片EN端使用。R34和R36不貼片，僅供調(diào)試時(shí)使用。

2.6 PCB設(shè)計(jì)

對(duì)于無線充電系統(tǒng)發(fā)射端電路，四層板設(shè)計(jì)比較合理，中間兩層分別作為電源層和地層，其抗干擾能力較強(qiáng)，電源紋波也較小，但設(shè)計(jì)成本要比雙層板要高。我們可以先設(shè)計(jì)雙層板對(duì)無線充電系統(tǒng)進(jìn)行理論驗(yàn)證，之后再根據(jù)需要，對(duì)電路PCB進(jìn)行改進(jìn)。發(fā)射端PCB設(shè)計(jì)和接收端PCB設(shè)計(jì)，都是雙層板設(shè)計(jì)。在PCB設(shè)計(jì)中，電源回路要盡可能小，線寬應(yīng)至少保證能夠流過1 A電流，濾波電容擺放應(yīng)盡可能地靠近輸入輸出端口。元器件應(yīng)按照電路模塊擺放，模擬電路要與數(shù)字電路分開擺放。

3 系統(tǒng)測(cè)試

下面對(duì)該系統(tǒng)做一個(gè)測(cè)試。在空載情況下，我們將接收端設(shè)置的充電滿電電流閾值為0，發(fā)射端綠燈亮，表明供電正常。接收端輸出4.16 V，為該電路所能輸出的最大電壓值，與鋰電池的滿電電壓值相同。表1為發(fā)射端接收端一些測(cè)試點(diǎn)的測(cè)試情況，我們分別測(cè)量了供電電壓、控制信號(hào)、輸出電壓的狀態(tài)。

接收端帶負(fù)載工作時(shí)，接收端電路板藍(lán)燈亮表明充電進(jìn)行，發(fā)射端電路板兩個(gè)綠燈亮表明發(fā)射端供電正常，工作也正常。電壓源上的電壓值為發(fā)射端輸入電壓值，電流值為發(fā)射端輸出電流值，整個(gè)發(fā)射端輸入功率為3.3 W。表2為發(fā)射端接收端一些測(cè)試點(diǎn)的測(cè)試情況，我們分別測(cè)量了供電電壓、控制信號(hào)、輸出電壓的狀態(tài)。

在給鋰電池進(jìn)行充電時(shí)，因?yàn)殇囯姵氐膬?nèi)阻很小，設(shè)計(jì)時(shí)需考慮一些問題，如電路中導(dǎo)線的電阻大小，無線充電系統(tǒng)作為電源其電源內(nèi)阻大小，以及鋰電池自身的內(nèi)阻。在測(cè)試時(shí)，穩(wěn)壓源輸出5 V電壓，而發(fā)射端電路板的輸入電壓只有4.5 V，有0.5 V都消耗在了穩(wěn)壓源與電路板連接的導(dǎo)線上了，而這恰恰是應(yīng)該避免的損耗。在充電電路中，如果導(dǎo)線內(nèi)阻偏大，那么用以維持最大電流充電的輸出電壓值將提前達(dá)到最大，即鋰電池兩端的電壓還沒上升到較大值，電路的最大輸出就已經(jīng)滿足不了最大電流充電了，之后電路將進(jìn)行恒流充電。換一種說法，接收端導(dǎo)線內(nèi)阻大會(huì)使充電電路恒流充電階段所占時(shí)間變短，提前進(jìn)入恒壓充電階段。因此我們要極力減小無線充電系統(tǒng)中連接導(dǎo)線的內(nèi)阻，以保證充電系統(tǒng)中充電效率和能量轉(zhuǎn)換效率。

表1 空載工作狀態(tài)測(cè)試點(diǎn)測(cè)試情況

表2 帶負(fù)載工作狀態(tài)測(cè)試點(diǎn)測(cè)試情況

4 問題分析

下面對(duì)無線充電系統(tǒng)中的電感、電容、通信和諧振電路進(jìn)行一些分析探討。

在該系統(tǒng)的器件選擇上，對(duì)電容品質(zhì)和線圈品質(zhì)要求較為嚴(yán)格，因?yàn)樵跓o線系統(tǒng)中，電感品質(zhì)則直接影響到了耦合系數(shù)，對(duì)電路能量傳遞影響極大。如果選擇一般的電感線圈，漏磁現(xiàn)象嚴(yán)重時(shí)電路根本無法按照預(yù)定電流給鋰電池充電。我們?cè)谶@個(gè)電路中使用和BQ500212A相匹配的A5/A11線圈，它的材質(zhì)、線寬都是規(guī)定好的，符合QI標(biāo)準(zhǔn)，能夠達(dá)到給鋰電池?zé)o線充電的預(yù)期要求。

電容的品質(zhì)，對(duì)該無線充電系統(tǒng)也有較大影響，尤其是發(fā)射端、接收端的諧振電路部分，其電容選擇非常關(guān)鍵。發(fā)射端接收端只有工作在相同諧振頻率時(shí)，其能量傳輸效率最大。使用誤差大的電容，會(huì)造成發(fā)射電路接收電路諧振頻率不匹配，電路工作在最大輸出功率時(shí)很難達(dá)到該設(shè)計(jì)電路應(yīng)有的效率，失去設(shè)計(jì)應(yīng)有的價(jià)值。在此電路中，電容應(yīng)選擇品質(zhì)較高的COG電容，其ESR、ESL最小，精度最高。在設(shè)計(jì)中，將4個(gè)電容并聯(lián)使用，可以降低電容的ESR，對(duì)電路有改善作用。但要注意的是，瓷片電容易受溫度沖擊損壞，還具有較差的抗彎曲能力，在安裝瓷片電容時(shí)應(yīng)著重考慮。

無線充電系統(tǒng)的通信，是通過將接收端短接電容實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)電容短接時(shí)，接收端電流變化導(dǎo)致發(fā)射端電流發(fā)生變化，該系統(tǒng)正是通過電流的變化來傳遞信息的。這種方式需要與電容濾波區(qū)分一下，濾波電容選擇的值一般都略大，這是由電容的容抗公式所決定的，相同頻率下大電容容抗小，更容易短路交流信號(hào)，而本文系統(tǒng)通信所選用的電容要小很多，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能短路電路中的交流信號(hào)。它所起的作用，更多的是改變接收電路中的回路負(fù)載，引起回路電流瞬間變化，從而達(dá)到通信的目的。

對(duì)于發(fā)射端和接收端的諧振電路，簡(jiǎn)單來講可以將兩個(gè)耦合線圈理解為一個(gè)變壓器，但是這樣不易于對(duì)電路進(jìn)行深入理解。為此本文提出這樣一種模型：發(fā)射端靠電感發(fā)射能量，應(yīng)把電感等效為電阻與理想電感的串聯(lián)。電阻會(huì)隨著接收端負(fù)載的變化而變化，忽略電感自身的ESR，等效電阻上消耗的能量減去磁場(chǎng)能量損耗，就是接收電路上消耗的能量。接收端諧振回路中，應(yīng)把電感等效為電壓源與電感的串聯(lián)，等效電壓源為整個(gè)接收端電路提供能量，它所提供的能量就是發(fā)射端電路傳遞到接收電路上的所有能量。這種模型更利于對(duì)該系統(tǒng)電路的理解。

結(jié) 語

[1] Michael，F(xiàn)rank，單凱.無線充電要替代USB [J].創(chuàng)業(yè)邦,2016,(1):89-90.

[2] 曹琛，李元章，馬忠梅.基于MSP430的無線充電器系統(tǒng)設(shè)計(jì) [J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用, 2016(2):66-69.

[3] 周婭娜.一種用于手機(jī)的無線充電系統(tǒng)設(shè)計(jì) [D].重慶:重慶大學(xué), 2014.

[4] 楊培凱，石雄.一種無線充電管理系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì) [J].電子與封裝, 2016(4).

[5] 李曉平，劉毅，肖建中.作業(yè)場(chǎng)所電磁輻射的測(cè)量[J].中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù),2008，4(4):36-40.

[6] TI.bq500212A Data Sheet [EB/OL].[2016-06-28].http://www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/bq500212a.pdf.

[7] TI.bq51050B Data Sheet [EB/OL].[2016-06-28].http://www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/bq51050b.pdf.

喬建華(副教授)，主要研究方向?yàn)闊o線傳感器網(wǎng)絡(luò)；賈堯堯(本科生)，主要研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)應(yīng)用。

Wireless Charging System for Lithium Battery Based on BQ500212A

Qiao Jianhua，Jia Yaoyao

(School of Electronic and Information Engineering,Taiyuan University of Science and Technology,Taiyuan 030024,China)

In the paper,a resonant electromagnetic induction wireless charging system for lithium battery is proposed,which adopts the near field electromagnetic induction method,uses the LC series resonant circuit,the voltage and current detection circuit,the RC delay circuit to achieve the requirements of wireless charging for lithium battery.The model of the system is established,and the selection principle and method of the important devices are analyzed.The test results show that the system not only increases the energy transfer efficiency of wireless charging,but also improves the security of the circuit to various state response.

wireless charging;electromagnetic induction;series resonance;BQ500212A;lithium battery

山西省科學(xué)基金資助(2013011019-1)。

TN92

A

?迪娜

2016-06-28)